Insect eyes offer insight into manufacture of perovskites / Gli occhi degli insetti offrono un'idea nella produzione di perovskites

Segnalato dal Dott. Giuseppe Cotellessa / Reported by Dr. Giuseppe Cotellessa

(Image credit: Thomas Shahan/Creative Commons)

Scientists at Stanford University have taken inspiration from the compound eyes of insects to improve the viability of perovskites, a promising photovoltaic material that presents manufacturing challenges.
According to Reinhold Dauskardt, a professor of materials science and engineering at Stanford, perovskites are promising, low-cost materials that convert sunlight into electricity as efficiently as conventional solar cells made of silicon. Despite their promise, they are also prone to deteriorating when exposed to heat, moisture or mechanical stress.
“They would barely survive the manufacturing process, let alone be durable long-term in the environment,” said Dauskardt, lead author of a study detailing the research team’s results in Energy & Environmental Science (E&ES).
Most commercial solar devices use a planar design, which doesn’t work well with perovskite solar cells.
“Perovskites are the most fragile materials ever tested in the history of our lab,” said graduate student Nicholas Rolston, a co-lead author of the E&ES study. “This fragility is related to the brittle, salt-like crystal structure of perovskite, which has mechanical properties similar to table salt.”
To address the durability challenge, the Stanford team turned to nature.
“We were inspired by the compound eye of the fly, which consists of hundreds of tiny segmented eyes,” said Dauskardt. “It has a beautiful honeycomb shape with built-in redundancy: If you lose one segment, hundreds of others will operate. Each segment is very fragile, but it’s shielded by a scaffold wall around it.”
Using the compound eye as a model, the researchers are said to have created a compound solar cell consisting of a vast honeycomb of perovskite microcells, each encapsulated in a hexagon-shaped scaffold 500 microns wide.
“The scaffold is made of an inexpensive epoxy resin widely used in the microelectronics industry,” Rolston said. “It’s resilient to mechanical stresses and thus far more resistant to fracture.”
Tests conducted during the study revealed that the scaffolding had little effect on the perovskite’s ability to convert light into electricity.
“We got nearly the same power-conversion efficiencies out of each little perovskite cell that we would get from a planar solar cell,” Dauskardt said. “So we achieved a huge increase in fracture resistance with no penalty for efficiency.”
To test the new device, the researchers exposed encapsulated perovskite cells to temperatures of 85 degrees Celsius and 85 per cent relative humidity for six weeks. Despite these conditions, the cells continued to generate electricity at relatively high rates of efficiency.
Dauskardt and his colleagues have filed a provisional patent for the new technology. To improve efficiency, they are studying new ways to scatter light from the scaffold into the perovskite core of each cell.

ITALIANO

Gli scienziati della Stanford University si sono ispirati  agli occhi composti degli insetti per migliorare la redditività delle perovskites, un materiale fotovoltaico promettente che presenta sfide di produzione.
Secondo Reinhold Dauskardt, professore di scienza e ingegneria dei materiali a Stanford, i perovskites sono promettenti, materiali a basso costo che trasformano la luce del sole in elettricità in modo efficace come le celle solari convenzionali in silicio. Nonostante la loro promessa, sono anche inclini a deteriorarsi quando esposti a calore, umidità o stress meccanico.
"Dovrebbero sopravvivere al processo produttivo, per non parlare di lunga durata nell'ambiente", ha affermato Dauskardt, autore principale di uno studio che descrive i risultati della ricerca in Energy & Environmental Science (E & ES).
La maggior parte dei dispositivi solari commerciali usa un disegno planare, che non funziona bene con le cellule solari in perovskite.
"Perovskites sono i materiali più fragili mai sperimentati nella storia del nostro laboratorio", ha dichiarato lo studente di laurea Nicholas Rolston, autore principale dello studio E & ES. "Questa fragilità è legata alla fragile struttura di cristallo di perovskite, che ha proprietà meccaniche simili al sale da tavola".
Per affrontare la sfida della durabilità, il gruppo di Stanford si è rivolto alla natura.
"Siamo stati ispirati dall'occhio composto della mosca, che consiste di centinaia di piccoli occhi segmentati", ha detto Dauskardt. "Ha una bella forma a nido d'ape con ridondanza incorporata: se perdi un segmento, centinaia di altre opereranno. Ogni segmento è molto fragile, ma è schermato da una parete di scaffali che lo circonda ".
Utilizzando l'occhio composto come un modello, i ricercatori si dicono di aver creato una cella solare composta da un vasto sistema di microcellule in perovskite, ognuno incapsulato in un esagono a forma di impalcatura di 500 micron di larghezza.
"Il ponteggio è fatto di una resina epossidica poco costosa ampiamente utilizzata nell'industria della microelettronica", ha detto Rolston. "È resistente alle sollecitazioni meccaniche e quindi più resistente alla frattura".
I test condotti durante lo studio hanno rivelato che l'impalcatura aveva poco effetto sulla capacità del perovskite di convertire la luce in elettricità.
"Abbiamo ottenuto quasi le stesse efficienze di conversione di potenza da ogni piccola cella perovskite che avremmo ottenuto da una cella solare planare", ha detto Dauskardt. "Quindi abbiamo raggiunto un enorme aumento della resistenza alla frattura senza alcuna penalità per l'efficienza".
Per testare il nuovo dispositivo, i ricercatori hanno esposto cellule perovskite incapsulate a temperature di 85 gradi centigradi e 85% di umidità relativa per sei settimane. Nonostante queste condizioni, le cellule continuavano a generare energia elettrica a livelli relativamente elevati di efficienza.
Dauskardt ed i suoi colleghi hanno presentato un brevetto provvisorio per la nuova tecnologia. Per migliorare l'efficienza, stanno studiando nuovi modi per diffondere la luce dal ponteggio nel nucleo in perovskite di ciascuna cella.


Da:

https://www.theengineer.co.uk/insects-perovskites/?cmpid=tenews_3886304&adg=CA40D8F0-63B9-4BE1-90A0-3379B1DDE40E